金屬切削原理與刀具：07 第四章 第二節(jié) 工件材料切削加工性

1、第一節(jié) 切屑控制第二節(jié) 工件材料的切削加工性第三節(jié) 切削液的選用第四節(jié) 已加工表面質(zhì)量第五節(jié) 刀具幾何參數(shù)的合理選擇第六節(jié) 切削用量的合理選擇第七節(jié) 現(xiàn)代切削新技術(shù)第四章 切削基本理論的應(yīng)用第四章 切削基本理論的應(yīng)用第二節(jié) 工件材料的切削加工性本節(jié)主要內(nèi)容：一、切削加工性指標(biāo)二、影響材料切削加工性的因素三、改善材料切削加工性的途徑四、常用材料切削加工性簡述工件材料切削加工性 切削加工性的概念和衡量指標(biāo)（Machinability）概念：在一定的加工條件下工件材料被切削的難易程度。衡量指標(biāo)： 加工材料性能、相對(duì)加工性、刀具壽命、 加工表面質(zhì)量、切削力 、 斷屑性能等3一、切削加工性指標(biāo)1. 加工

2、材料的性能指標(biāo)材料加工性能難易程度主要決定于材料結(jié)構(gòu)和金相組織，及具有的物理和力學(xué)性能，其中包括材料硬度HBW、抗彎強(qiáng)度b、伸長率、沖擊韌度ak和熱導(dǎo)率。通常按它們數(shù)值的大小來劃分加工性等級(jí)。4例：45鋼 不銹鋼1Cr18Ni9TiHBW表4-3 工件材料加工性分級(jí)表5以切削45鋼，刀具壽命T=60 min 的切削速度 v060 作為標(biāo)準(zhǔn)，在相同條件下，將某種材料的 v60 與 v060 的比值 Kr 稱為相對(duì)加工性指標(biāo)，即 一、切削加工性指標(biāo)2. 相對(duì)加工性能指標(biāo)例如：Kr3為非鐵材料；Kr=2.53為易切鋼；Kr=0.5為不銹鋼、高猛鋼、鈦合金等難加工材料。6加工性 等級(jí)工件材料切削加工性

3、等級(jí)材料名稱及種類相對(duì)加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金屬3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.53退火15Cr，b0.373o.441GPa自動(dòng)機(jī)鋼，b0.3930.491GPa3較易切削鋼1.62.5正火30鋼，b0.4410.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.01.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.651.02Crl3，調(diào)質(zhì)b0.834GPa85，鋼b0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.50.6545Cr，調(diào)質(zhì)b1.03GPa65Mn，調(diào)質(zhì)b0.9320.9817難切削材料0.150.550CrV, 調(diào)質(zhì)；1Crl8Ni9Ti, 鈦合金

4、8很難切削材料0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金7用刀具壽命高低來衡量被加工材料切削的難易程度。常用 v60 、v20 來表示；在相同加工條件下， v60 與 v20 值越高，材料的切削加工性越好。一、切削加工性指標(biāo)3. 刀具壽命指標(biāo)8二、影響材料切削加工性的因素1. 工件材料硬度的影響工件材料常溫硬度對(duì)切削加工性影響：工件材料硬度越高，切削力越大，切削溫度越高，刀具磨損越快。工件材料高溫硬度的影響：工件材料高溫硬度越高，加工性越差。這是因?yàn)榍邢鳒囟葘?duì)切削過程的有利影響（軟化）對(duì)高溫硬度高的材料不起作用。9二、影響材料切削加工性的因素1. 工件材料硬度的影響金屬材料中硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)加工性的影響：金

5、屬中硬質(zhì)點(diǎn)越多，形狀越尖銳、分布越廣，則材料的加工性越差。（a.硬質(zhì)點(diǎn)硬度高；b.硬質(zhì)點(diǎn)使得材料硬度、強(qiáng)度提高）材料的加工硬化對(duì)切削加工性的影響：加工硬化性越嚴(yán)重，切削加工性越差。（奧氏體鋼和高錳鋼，切削后表面硬度提高1.4-2.2倍）10二、影響材料切削加工性的因素2. 工件材料強(qiáng)度的影響強(qiáng)度越高的材料，產(chǎn)生的切削力越大，切削時(shí)消耗的功率越多，切削溫度亦越高，刀具容易磨損。因此，在一般情況下，加工性隨工件材料強(qiáng)度提高而降低。例如：不銹鋼及合金鋼，常溫強(qiáng)度與碳素鋼差別不大，但高溫強(qiáng)度差別較大。11二、影響材料切削加工性的因素3. 工件材料塑性與韌性的影響材料強(qiáng)度相同的情況下，塑性、韌性大，材料

6、失效前消耗吸收的能量大，使得切削加工性差： 切削力大； 刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)和擴(kuò)散磨損； 低速切削時(shí)易出現(xiàn)刀瘤與鱗刺； 斷屑困難。但材料塑性太小時(shí)，切屑與前刀面的接觸變得很短，切削力、切削熱集中在切削刃附近，使刀具磨損嚴(yán)重，故切削性也差。注意：塑性過大或過小都會(huì)使得材料切削性能下降。12二、影響材料切削加工性的因素4. 工件材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響工件材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度高，刀具易磨損，切削加工性差。金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)大小順序：純金屬、有色金屬、碳結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、耐熱鋼、不銹鋼。13二、影響材料切削加工性的因素5. 工件化學(xué)成分的影響鋼的化學(xué)成分的影響鑄鐵的化學(xué)成分的影

7、響C在鑄鐵中的存在形式有兩種：FeC和游離態(tài)的石墨。它們決定著鑄鐵的切削加工性。凡是能促進(jìn)石墨化的元素：Si，Al，Ni，Cu，Ti都能提高鑄鐵切削加工性。而Cr、V、Mn、Mo、Co、P、S等會(huì)降低鑄鐵切削加工性。14二、影響材料切削加工性的因素6. 金相組織的影響鋼的金相組織主要通過各自的機(jī)械性能來影響切削加工性。鐵素體、奧氏體的塑性和韌性很高，切削加工性較差；滲碳體、索氏體、馬氏體具有較高的硬度和抗拉強(qiáng)度，切削加工性也較差；珠光體的硬度、強(qiáng)度和塑性都比較適中，其切削加工性良好。15一般說來，vc增大，切削加工性變好。二、影響材料切削加工性的因素7. 切削條件的影響 Salomon切削溫度

8、與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬16二、影響材料切削加工性的因素7. 切削條件的影響1. 工件材料硬度的影響2. 工件材料強(qiáng)度的影響3. 工件材料塑性與韌性的影響4. 工件材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響5. 工件化學(xué)成分的影響6. 金相組織的影響17三、改善材料切削加工性的途徑(一)調(diào)劑工件材料中化學(xué)元素和進(jìn)行熱處理1.調(diào)整材料的化學(xué)成分鋼中加硫、鉛 等元素，改善組織結(jié)構(gòu)，便于切削；不銹鋼中

9、有硒 元素，可改善硬化程度；鑄鐵中加入鋁、銅合金元素，可分解出石墨元素，易于切削。182.進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼?、中碳?宜選正火處理，均勻組織，調(diào)整硬度塑性；高碳鋼 宜用球化退火，降低硬度，均勻組織，改善加工性；中碳以上的合金鋼 硬度較高，需退火以降低硬度；不銹鋼 常要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，降低塑性，以便加工；鑄鐵 需進(jìn)行退火處理，降低硬度，降低表皮硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。三、改善材料切削加工性的途徑(一)調(diào)劑工件材料中化學(xué)元素和進(jìn)行熱處理19三、改善材料切削加工性的途徑(二)合理選用刀具材料高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼，益選用耐磨性強(qiáng)的刀具材料；高錳鋼，應(yīng)選用硬度高、有一定韌性、導(dǎo)熱系數(shù)較大、高溫性能好的刀具材料；冷

10、硬鑄鐵，應(yīng)選用硬度、強(qiáng)度都好的刀具材料；純金屬，可以用高速鋼刀具，也可以用硬質(zhì)合金刀具；不銹鋼和高溫合金，一般宜采用YG類硬質(zhì)合金；鈦合金，宜采用YG類合金；20三、改善材料切削加工性的途徑(三)其它措施合理選擇刀具幾何參數(shù)；保持切削系統(tǒng)的足夠剛性；選用高效切削液及有效澆注方式；采用新的切削加工技術(shù)。如加熱切削、振動(dòng)切削等。21四、常用材料切削加工性簡述(一)鑄鐵白口鑄鐵 硬度高（HBS600)，難切削；灰口鑄鐵 硬度適中，強(qiáng)度塑性小，切削力較小，但高硬度碳化物對(duì)刀具有擦傷，崩碎切屑，切削力、熱集中刀刃上且有波動(dòng)，刀具磨損率并不低，應(yīng)采用低于加工鋼的切削速度；球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵 的強(qiáng)度塑性比灰

11、鐵高，但其切削性比灰鑄鐵要好；工件表面若有硬皮應(yīng)進(jìn)行退火處理。22四、常用材料切削加工性簡述(二)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼切削加工性取決于含碳量。低碳鋼 硬度低，塑韌性高，變形大，斷屑難，粘屑，加工表面粗糙，加工性較差；高碳鋼 硬度高，塑性低及熱導(dǎo)率低，切削力大，溫度高，刀具耐用度低，加工性差；中碳鋼 性能適中，加工性良好。 23四、常用材料切削加工性簡述(三)合金結(jié)構(gòu)鋼在碳素結(jié)構(gòu)鋼中加入合金元素，如 Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti 等，提高了結(jié)構(gòu)鋼的性能，其加工性也隨著變化。 24目前，在航空、航天、造船、電站、石油化工以及國防工業(yè)中，對(duì)零件的性能提出很高的要求，例如耐磨、耐高溫、耐

12、腐蝕、耐沖擊等。而達(dá)到上述要求，一般需要采用高強(qiáng)度合金鋼、不銹鋼、高錳鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵和高硅鋁合金等“難加工材料”。四、常用材料切削加工性簡述(四)難加工材料25四、常用材料切削加工性簡述(四)難加工材料“難加工材料” 難加工的原因一般是以下幾個(gè)方面：高硬度；高強(qiáng)度；高塑性和高韌性；低塑性和高脆性；低導(dǎo)熱性；有大量微觀硬質(zhì)點(diǎn)或硬夾雜物；化學(xué)性質(zhì)活潑。這些特性一般都能使切削過程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具磨損加劇，刀具使用壽命縮短；有時(shí)還將使已加工表面質(zhì)量惡化，切屑難以控制；最終則使加工效率和加工質(zhì)量降低，加工成本提高。 261.高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼的切削加工性 與普通碳素結(jié)構(gòu)

13、鋼相比，高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，故切削力大，切削溫度高，刀具磨損快，刀具使用壽命短，斷屑稍難。 根據(jù)以上特點(diǎn)，必須采用耐磨性強(qiáng)的刀具材料。 一般采用YT類硬質(zhì)合金，最好是添加鉭、鈮的牌號(hào)。刀具前角應(yīng)較小，例如車削35CrMnSiAl時(shí)，取o -4 -0。在工藝系統(tǒng)剛性允許的情況下，應(yīng)采用較小的主偏角kr和較大的刀尖圓弧半徑r。切削用量，尤其是切削速度，應(yīng)比加工中碳正火鋼時(shí)適當(dāng)降低。盡可能采用切削液與斷屑措施以改善切削條件。272.不銹鋼的切削加工性 不銹鋼切削時(shí)的塑性變形大，故切削力大，切削溫度高，加工硬化程度高，易與刀具中合金元素親合，產(chǎn)生粘屑并易形成積屑瘤。斷屑困難。刀

14、具上溫度高、導(dǎo)熱差，使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。切削不銹鋼應(yīng)選用高的耐熱性、強(qiáng)度和耐磨的刀具材料。 加工不銹鋼時(shí)，宜采用YG類 (最好添加鉭、鈮，如YG6A) 或YW類硬質(zhì)合金，較大前角與中等切削速度。加工奧氏體不銹鋼，切削深度和進(jìn)給量均宜適當(dāng)加大，避免切削刃和刀尖劃過硬化層。283.高錳鋼的切削加工性 高錳鋼 金相組織為均勻的奧氏體。它的原始硬度雖不甚高，但其塑性和韌性特別高，加工硬化特別嚴(yán)重。切削過程中，工件表面上還會(huì)形成高硬度的氧化層。它的導(dǎo)熱系數(shù)很小，切削溫度很高，切削力約比加工45鋼時(shí)增大60。高錳鋼比高強(qiáng)度鋼更難加工。 加工高錳鋼，應(yīng)選用硬度高、有一定韌性、導(dǎo)熱系數(shù)較大、高溫性能

15、好的刀具材料。粗加工時(shí)，可采用YG類或YW類硬質(zhì)合金；精加工時(shí)，可采用YTl4、YG6X等硬質(zhì)合金。從提高切削刃強(qiáng)度和散熱條件出發(fā)，前角應(yīng)選小值。但為使切屑變形不致過大，前角又不宜過小。一般，取。-55。切削速度應(yīng)較低，進(jìn)給量和背吃刀量均不能過小，以免切削刃或刀尖在上一道工序形成的硬化層中劃過而加速刀具的磨損。 294.冷硬鑄鐵和淬硬鋼的切削加工性 冷硬鑄鐵的硬度極高，是其難加工的主要原因。它的塑性很低，刀屑接觸長度很小，切削力和切削熱都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩損。冷硬鑄鐵零件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工余量一般都較大，毛坯精度低，因而就進(jìn)一步加大了加工難度。 加工冷硬鑄鐵應(yīng)選用硬度、強(qiáng)度都好

16、的刀具材料，一般均采用細(xì)晶?；虺?xì)晶粒的YG類硬質(zhì)合金。為了提高切削刃和刀尖的強(qiáng)度，一般取。-40，主偏角kr適當(dāng)減小,刀尖圓弧半徑r適當(dāng)加大。 淬硬鋼的組織為回火馬氏體，硬度達(dá)HRC60以上，塑性和導(dǎo)熱系數(shù)都很低。其加工性及刀具材料、刀具幾何參數(shù)的選擇基本上與冷硬鑄鐵相同。對(duì)它們進(jìn)行精加工，可采用CBN刀具。305.純金屬的切削加工性 常用的純金屬如紫銅、純鋁、純鐵等，其硬度、強(qiáng)度都較低，導(dǎo)熱系數(shù)大，對(duì)切削加工有利；但其塑性很高，切屑變形大，刀屑接觸長度大并容易發(fā)生冷焊，生成積屑瘤，因此切削力較大，不容易獲得好的已加工表面質(zhì)量，斷屑困難。此外，它們的線膨脹系數(shù)較大，精加工時(shí)不易控制工件的加工

17、精度。 加工純金屬，可以用高速鋼刀具，也可以用硬質(zhì)合金刀具。YG或YW類硬質(zhì)合金可用于加工紫銅、純鋁，YT或YW類硬質(zhì)合金可用于加工純鐵。應(yīng)采用大前角和較大的后角（。2535，。112），磨出鋒利的切削刃，以減小切屑變形。應(yīng)盡量采用較高的切削速度和較大的切削深度、進(jìn)給量，以提高生產(chǎn)率。316.鈦合金的切削加工性 1）鈦合金特點(diǎn)和分類鈦合金有三種基體組織： 鈦合金、+ 鈦合金、 鈦合金。密度?。s為 4.5 g/cm3 ），比鋼約小一倍。強(qiáng)度極限高（可達(dá)b=0.9811.37GPa），鈦合金的比強(qiáng)度（單位重量強(qiáng)度）很高，尤其在高溫下比強(qiáng)度仍很高，這一點(diǎn)對(duì)航空、航天工業(yè)尤為重要。耐熱性好，在高達(dá)5

18、37時(shí)仍有足夠的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度。 耐腐蝕性能好。在550以下，鈦表面形成致密的氧化膜 ；對(duì)大氣、海水及其蒸氣以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)有高的抗蝕能力。鈦在地殼中分布廣。含量僅次于鋁、鐵和鎂，占結(jié)構(gòu)金屬的第四位。 326.鈦合金的切削加工性 2）鈦合金的加工特點(diǎn)1）加工時(shí)剪切角大，變形系數(shù)接近1，鈦合金易于氧化生成硬脆相，加劇刀具磨損 ；2）切削溫度高，導(dǎo)熱系數(shù)是碳鋼的1/51/6，高溫合金的1/21/3 ；3）刀具磨損嚴(yán)重切削溫度高；易形成硬質(zhì)點(diǎn)磨損；易粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損；背向力較大，易引起振動(dòng)。336.鈦合金的切削加工性 3）改善加工性途徑1）不宜選用 YT（P）類硬質(zhì)合金和TiC、TiN

19、涂層的刀片；適合選用導(dǎo)熱性能好的、強(qiáng)度高的細(xì)晶粒YG（K）類硬質(zhì)合金。例如YG3X；YG6X 。 2）適當(dāng)?shù)牡毒呓嵌龋贿x用較低的切削速度，中等偏小的進(jìn)給量，較大的背吃刀量，以使切削刃在冷硬層下切削。 347.高溫合金的切削加工性高溫合金按基體元素和金相組織分為鐵基、鎳基、鈷基高溫合金。高溫合金強(qiáng)度、硬度較高，切削力很大；導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度很高，刀具磨損加劇。 另外合金中的高硬度化合物構(gòu)成硬質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)一步加劇了刀具的磨損；在中、低切削速度下，易與刀具發(fā)生冷焊。在高速高溫下，又使刀具發(fā)生劇烈的擴(kuò)散磨損。 加工高溫合金時(shí)， 宜采用偏小的前角 (00-10，以提高切削刃的強(qiáng)度)與偏低的切削速度 (vc

20、30-40 m/min)硬質(zhì)合金。加工高溫合金，切削深度和進(jìn)給量均宜適當(dāng)加大，避免切削刃和刀尖劃過硬化層。357.高溫合金的切削加工性1）高溫合金加工特點(diǎn)高溫強(qiáng)度高，加工硬化傾向大。 導(dǎo)熱性差。導(dǎo)熱系數(shù)約為45鋼1/51/2，切削溫度高。 刀具的粘結(jié)傾向大（在中低速時(shí)，易與刀具發(fā)生冷焊磨損在高速時(shí)，又使刀具發(fā)生劇烈的擴(kuò)散磨損）。強(qiáng)化元素含量高。金屬碳化物、金屬間化合物等硬質(zhì)點(diǎn)，對(duì)刀具又強(qiáng)烈的擦傷作用，刀具使用壽命低。 367.高溫合金的切削加工性2）改善切削加工性措施A）適當(dāng)?shù)臒崽幚怼?duì)鐵基高溫合金可采用退火、回火處理 ；對(duì)鎳基高溫合金可采用固溶處理（淬火） 。B）首選一足夠的vc以保證加工質(zhì)量，再選f 、ap。C）選擇合適的刀具材料和角度 連續(xù)切削：YG6X、YW1 斷續(xù)切削：M42、501、B201 高速鋼刀具：o=15 20、o=12 、r=45 硬質(zhì)合金刀具：o=5 10、o= 8 15、 r= 45 75、s= -10378. 難加工材料切削技術(shù)的新發(fā)展 加熱切削法 ：用等離子弧對(duì)靠近刀尖將要被切除的工件材料進(jìn)行加熱，使其硬度、強(qiáng)度降低，從而改善了切削條件?？梢暂^大幅度地降低切削力。用等離子加熱切削法對(duì)高硬度、高強(qiáng)度的金屬材料進(jìn)行粗加工是有效的。低溫切削法 ：用液氮(-180)或液體CO2 (-76)為切削液，可降低切削區(qū)溫度。